VN zdroj - IRFP460 polomost

Projekt o snahu univerzálneho niekoľko sto wattového VN zdroja na sieť 230V v polomoste s tranzistormi IRFP460 pre VN transformátory z televízorov.

      Mám tu ďalší spínaný VN zdroj v polomoste, teraz už žiadne extrémy a žiadne veľké výkonové VN transformátory. Pôvodná myšlienka bola spraviť univerzálny budič pre rôzne VN transformátory z televízorov, monitorov alebo menších „homemade“ VN transformátorov. No ako sa ukazuje, s tou „univerzálnosťou“ je to celkom problém pri spínaných VF/DC zdrojoch vysokého napätia.


      Pri VF zdrojoch vysokého napätia
 s použitím VN traf z televízií (staršie TV bez internej zaliatej VN diódy) je problém ich vlastná rezonancia. Kedy následná rôzna premenlivá záťaž na výstupe takéhoto VN transformátora s premenlivou kapacitou (niekedy stačí aj pár pF) spôsoby zmenu a pokles rezonancie VN transformátora. Ak sa rezonancia priblíži k frekvencií oscilátora budiča, potom nastáva veľký nárast napätia na výstupe a dochádza k prierazu sekundárnej cievky. Bezpečné riešenie je používať takéto VF VN zdroje pre konkrétnu záťaž a „jedno použitie“, čím nastáva akosi aj problém s „univerzálnosťou“ VF VN zdroja. Pozor, po usmernení VN diódou už rezonancia prestáva byť problém a kapacita záťaže prestáva hrať rolu. Avšak sú tam potom iné problémy.

      Pri DC zdrojoch vysokého napätia s použitím tzv. IHVT transformátoroch (moderné zaliate transformátory z TV a monitorov s internou VN diódou) je problém pri takomto dvojčinnom meniči jednostranné sýtenie feritového jadra vďaka internej dióde. Dochádza k presycovaniu, nárastu prúdu, špičiek a následne explózii tranzistorov v polomoste. Dá sa to z časti riešiť vzduchovou medzerou (ak bude možné rozobrať jadro na IHVT), ale potom narastá jalový výkon na primárnej cievke a následne zvýšené teploty, ako primárnej cievky tak aj tranzistorov a to dosť značne. Možnosť to riešiť jedine pri menších výkonoch. Pre DC VN transformátory to chce jednočinný budič alebo veľkú rezervu v sýtení feritu.

      Tento môj budič je úplne základný a jednoduchý bez patričných ochrán, teda napäťovej a prúdovej. Pri rezonancii VF VN transformátora vyletí napätie vysoko nahor a prerazí sekundárnu cievku alebo pri presýtení feritu nastáva rýchly nárast prúdu cez tranzistory a dochádza k explózii tranzistorov. To je bežným problémom aj ostatných VN zdrojov, ktorých je plný internet. Potom čiastočne, sa zvýšené napätie rieši ochranným iskrišťom, ktoré sa často používa pri výkonných ZVS Driveroch, kde tie výkony a napätia idú pomerne vysoko nahor. Alebo často vidieť elektródy do Jakobovho rebríka, či inak podobne riešené elektródy, kedy stále je zapálený výboj kvôli prepätiu. Správne by mal VN zdroj byť schopný pracovať naprázdno. Ak teda nechceme len za každú cenu ťahať, čo najväčšie oblúky :).

      Všetky spomínané problémy čiastočne rieši môj predošlí výkonný VN zdroj s IGBT tehlou v polomoste. Nieže by som tam mal riešené patričné ochrany, ale použil som vlastnoručne navíjanú sekundárnu cievku na pomerne veľkom feritovom jadre, čím som docielil zvýšenú napäťovú odolnosť a zároveň vidím a počujem vznikajúcu korónu medzi vrstvami vinutia (ale pri náhlej rezonancii sekundárna cievka aj tak zhorí od rýchleho nárastu napätia nahor - čo sa mi už aj stalo). Potom pre veľké feritové jadro 25x25mm som získal značnú rezervu sýtenia feritu, takže aj po usmernení VN transformátora nepresycujem ferit a stále som schopný ísť bezpečne aspoň na nejaké stovky W a napájať zariadenia, či moje pokusy jednosmerným napätím (Marxov generátorLifter...). Ťahať výboje pri jednocestnom usmernení na plný výkon už pravdaže nie. Riešiť túto problematiku spínaných VN zdrojov by som chcel naďalej do budúcna a ošetriť to aj patričnými ochranami.... a teraz k tomuto budiču.

Update (30.4.2020):
      Už mám prvé výsledky, snažil som sa čím skôr doriešiť dané problémy a doplniť komplet ochrany VN VF zdroja a získať tým, ako tak univerzálnosť a odolnosť VN zdroja s VF výstupom. Dané úpravy a prerobenie komplet budiacej elektroniky som však riešil na druhom výkonnejšom VN zdroji s IGBT tehlou v aktualizovanom článku, ktorý je tu.

Schémy



Budič – TL494 + GDT

      Základné zapojenie TL494 s pevne nastaviteľnou striedou s trimrom P1 od 5% do 45%. Frekvencia je nastaviteľná do 30kHz, no ako ideálna f pre tieto televízne VN transformátory sa javí byť v pásme medzi 20-25kHz (aj práve kvôli spomínanej rezonancii týchto VF VN transformátorov). Aktuálne bežím s budičom na 22kHz. Z výstupov TL494 ide signál na budiče TC4421 (9A High-Speed MOSFET Driver, kontinuálny Iout až 2A) pre budenie GDT s 18 závitmi v pomeroch 1:1:1 vinutými trifilárne. TL494 a TC4421 sú obsypane blokovacími kondenzátormi pod IO na nožičkách alebo na DPS v tesnej blízkosti.

  • Použitý IO: TL494
  • Nastaviteľná strieda: 5 – 45%
  • Nastaviteľný f rozsah: 15 – 30kHz
  • Nastavená pracovná f budiča: 22kHz
  • Použité budiče: 2x TC4421 (invertujúce)
  • Napájanie elektroniky: 13,5V (LM317)

Vlastnosti použitého GDT:

  • Výška jadra H: 15mm
  • Vnútorný priemer jadra D1: 19mm
  • Vonkajší priemer jadra D: 31,5mm
  • Materiál jadra: CF265
  • Koeficient indukčnosti Al: 7700nH
  • Počet závitov: 18z trifilárne
  • Vinuté závity v pomere: 1:1:1



IRFP460 polomost

      Použitie tranzistorov bolo od začiatku jasné, vzhľadom na použitie pre bežné VN transformátory z TV a žiadne extrémne výkony to padlo na klasiku IRFP460. Kapacitný delič je vyskladaný z dvoch 2u2/305V AC MKP-X2 kondenzátorov, filtračné elektrolyty opäť skladané z toho, čo dom dal. Čiže 2x 820u/200V v sérií vybraté z PC zdrojov a jeden z nejakej neznámej dosky 330u/400V a rozmiestnené vhodne, aby vošli rozmerovo do tejto veže. Vybíjacie a vyrovnávacie rezistory pre elektrolyty sú 2x 68k 1W. Usmerňovač je zložený do mostíka z diód 4x P600M (1000V, 6A). Vodiče z GDT sú krútené a vedené po 2 a 2 priamo zo spodu na nožičky tranzistorov a Rg. Tranzistory sú na chladiči z PC zdroja cez kaptónové podložky.

  • Tranzistory: IRFP460 (500V, 20A)
  • Filtrácia: 330u/400V + 2x 820u/200V
  • Kapacitný delič: 2x 2u2 MKP-X2 305V AC
  • Nabíjací Rg: 15R 2W
  • Vybíjací Rg: 2R7 2W + schottky 1N5819



Finalizácia

      A takto vyzerá nejaká ta finálna podoba samotnej veže spínaného VN zdroja s TL494 pre transformátory z televízorov... a čo sa týka nejakých podrobnejších výpočtov a návrhu GDT a primárnej cievky VN transformátora, odporúčam ešte pozrieť druhý článok o predošlom VN zdroji s IGBT tehlou, kde sú ďalšie doplňujúce informácie.



Priebehy z osciloskopu

      Zopár priebehov z osciloskopu, ako to vyzerá na gejtoch tranzistorov IRFP460. Strieda TL494 nastavená na 45%.



      Ďalej priebehy prúdu (Ch1-žltá; 5V/d=10A) a napätia (Ch3-modrá) na primárnej cievke v stavoch na prázdno, na krátko, pri ťahaní oblúka a posledný priebeh pri jednostrannom presycovaní feritového jadra. Pekne vidieť rapídny špičkový nárast prúdu primárnou cievkou. Zvyšuje sa ohrev tranzistorov, preťažujú sa špičkovo tranzistory a po nejakom krátkom čase to proste odstrelí tranzistory. Keď som testoval túto problematiku a meral na osciloskope, tak tieto IRFP460 boli značne odolné.



Jednostranná saturácia feritového jadra

      Na hornom poslednom priebehu z osciloskopu pekne vidieť jednostrannú saturáciu, teda presýtenie feritového jadra VN transformátora. Čo je však zaujímavé, že takéto presýtenie som mal pri VF VN transformátore bez usmernenia ! Takže žiadne jednostranné presýtenie feritu od DC by sa konať nemalo, ale stalo sa. Nakoniec sa ukázalo, že problém je v samotnom oblúku a elektródach. Samotný oblúk za určitých okolností sa môže správať, ako usmerňovač a potom celkom logicky dochádza aj k jednostrannému presýteniu feritu... prevláda DC zložka. Ak máme 2 rôzne elektródy, no jedna je masívna a druhá tenká, ktorá sa dokáže skoro rozžeraviť a taviť, potom tento rozžeravený koniec oproti druhému bude silno emitovať elektróny. Potom podľa veľkého rozdielu teplôt elektród resp. rozžeravený až taviaci sa koniec oproti ešte „chladnému“ koncu bude usmerňovať prúd a bude prevládať DC zložka. Taktiež je dôležitá aj vzdialenosť elektród od seba, kritická je okrem rozdielu teplôt elektród aj malá vzdialenosť. V tom momente sa zmení aj charakter plazmy, mohutnosť a tavenie materiálu a hlavne zvuk výboja. Tento stav je viac problematický pri VN transformátoroch, ktoré dávajú pár kV a väčšie prúdy, ktoré budú viac taviť materiál a skôr sa prejaví tento problém. Problém pre tranzistory. Potom to môže dopadnúť aj takto, ako na fotke dole plus ďalšie priebehy k tomu. Najviac som nameral špičku 68Apk !



 
 



Fotky výbojov

      Už klasický výber fotiek výbojov a plazmy tesne po zániku výboja. Tento krát som zrkadlovku nevyberal, na ďalšie bežné výboje a oblúčiky z VN transformátorov postačí aj mobil a snímky z videá.

Video

      Krátka video ukážka VN zdroja plus ťahanie výbojov s dvoma VN transformátormi. Prvý VN transformátor s vlastnoručne navíjaným sekundárom a druhý zo starej elektrónkovej TV.